ジルコニウム９６を用いた２重ベータ崩壊事象探索実験用液体シンチレータの開発

• Project Area: Unification and Development of the Neutrino Science Frontier
• Project/Area Number: 26105502
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Miyagi University of Education
• Principal Investigator: 福田 善之 宮城教育大学, 教育学部, 教授 (40272520)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥7,410,000 (Direct Cost: ¥5,700,000、Indirect Cost: ¥1,710,000); Fiscal Year 2015: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2014: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
• Keywords: ニュートリノ / ニュートリノ質量 / 2重ベータ崩壊 / ジルコニウム / 液体シンチレータ / バックグラウンド除去 / ２重ベータ崩壊

Outline of Annual Research Achievements

昨年度の開発で成功したテトラキス（アセト酢酸イソプロピル）ジルコニウム(Zr(iprac)4)を10wt.%溶解させた液体シンチレータに対し、放射線元素の含有量を評価した。鉛シールド内にCsI検出器を設置し、液体シンチレータ内部のU/Th系列から放射されるガンマ線を観測した結果、Tl-208（2.615MeV）及びBi-214（2.204MeV/1.765MeV）のピークが観測された。しかし、液体シンチレータがない場合のスペクトルと差がなかったため、各々の上限値として2.7×10の-22乗g/g及び4.9×10の-20乗g/gが得られた。従って、液体シンチレータ中のU/Thの上限値は10の-7乗g/gと推定でき、明らかな量の放射性元素は存在しないことがわかった。また、液体シンチレータは１年以上経過後も沈殿物等は生じず、エネルギー分解能や光量の低下も確認されなかった。
一方、KamLAND-Zenの解析結果より、Zr-96の2重ベータ崩壊の信号領域に残存するバックグラウンド事象として、バルーンフィルム内のTl-208のベータ崩壊事象と、それに伴う2.6MeVのガンマ線であり、本研究でもそれらがバックグラウンドになると考えられる。これらを除去するために、新たにチェレンコフ光による事象再構成を着想した。
アニソールの屈折率は1.518のため、0.7MeV以上の電子はチェレンコフ光を放射する。実際にチェレンコフ光の光量を観測した結果、液体シンチレータの2％程度であり、計算結果と一致した。更に、EGS5によるシミュレーションの結果、電子の多重散乱が発生してもチェレンコフ光の放射角度分布は42度付近にピークが観測され、その情報から事象の発生位置の再構成を試みたところ約6cmの位置分解能の性能が得られた。ZICOS 実験では時間情報も利用できるため位置分解能は更に向上し、Tl-208のベータ線とガンマ線の発生位置を個別に特定できることが期待されるため、KamLAND-Zenのバックグラウンド観測量の20分の１程度まで除去できる可能性を示すことができた。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Development of a liquid scintillator containing a zirconium beta-keto ester complex for the ZICOS experiment (2016)
  • Author(s): Y. Fukuda, S.Moriyama, I.Ogawa, T.Gunji
  • Journal Title: Nuclear Physics B Nuclear and Particle Physics Proceedings Volume: 724 Pages: 966-969
  • DOI: 10.1016/j.nuclphysbps.2015.10.007
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ZICOS - New project for neutrinoless double beta decay experiment using zirconium complex in organic liquid scintillator - (2016)
  • Author(s): Y. Fukuda, Narengerile, A. Obata, S.Moriyama, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada, R. Hayami
  • Journal Title: 宮城教育大学紀要 Volume: 50 Pages: 135-143
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] ZICOS - New project for neutrinoless double beta decay experiment using zirconium complex in organic liquid scintillator - (2016)
  • Author(s): Y. Fukuda, Narengerile, A. Obata, S.Moriyama, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada, R. Hayam
  • Journal Title: Journal of Physics : Conference Series Volume: 715 Pages: 042054-042054
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Development of a liquid scintillator containing a zirconium complex for the ZICOS experiment (2015)
  • Author(s): Y.Fukuda, S.Moriyama, I.Ogawa, T.Gunji
  • Journal Title: Nuclear Physics B Proceedings Supplement Volume: 00 Pages: 1-3
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Performance of a liquid scintillator contaning a zirconium beta-keto ester complex developed for the ZICOS experiment (2014)
  • Author(s): Y.Fukuda, Narengerile, A.Obata, S.Moriyama, I.Ogawa, T.Gunji, S.Tsukada, R.Hayami
  • Journal Title: 宮城教育大学紀要 Volume: 49 Pages: 109-117
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] ZICOS - NEW PROJECT FOR NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY EXPERIMENT USING ZIRCONIUM COMPLEX IN ORGANIC LIQUID SCINTILLATOR - (2016)
  • Author(s): Y. Fukuda, Narengerile, A.Obata, S. Moriyama, I. Ogawa, T. Gunji, S. Tsukada, R. Hayami
  • Organizer: International Symposium on Revealing the history of the universe with underground particle and nuclear research 2016
  • Place of Presentation: 東京大学小柴ホール（東京都文京区）
  • Year and Date: 2016-05-11
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索ⅤIV (2016)
  • Author(s): 福田善之、森山茂栄、小川 泉、郡司天博、塚田 学、速水良平
  • Organizer: 日本物理学会第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学（泉キャンパス）（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索VIII (2015)
  • Author(s): 福田善之、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平
  • Organizer: 日本物理学会2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学杉本キャンパス（大阪府大阪市）
  • Year and Date: 2015-09-25
• [Presentation] ZICOS - NEW PROJECT FOR NEUTRINOLESS DOUBLE BETA DECAY EXPERIMENT USING ZIRCONIUM COMPLEX IN ORGANIC LIQUID SCINTILLATOR - (2015)
  • Author(s): Y. Fukuda, Narengerile, A.Obata, S. Moriyama, I. Ogawa, T. Gunji, S. Tsukada, R. Hayami
  • Organizer: TAUP 2015 XIV International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • Place of Presentation: Centro Congressi Unione Industriale Torino （イタリア、トリノ）
  • Year and Date: 2015-09-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索VII (2015)
  • Author(s): 福田善之、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、小川泉、郡司天博、塚田学、速水良平
  • Organizer: 日本物理学会第７０回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索VI (2014)
  • Author(s): 那仁格日楽、福田善之、小畑旭、森山茂栄、小川泉、郡司天博、塚田学
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学本庄キャンパス（佐賀県佐賀市）
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-21
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索Ⅴ (2014)
  • Author(s): 福田善之、那仁格日楽、小畑旭、森山茂栄、小川泉、郡司天博、塚田学
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学本庄キャンパス（佐賀県佐賀市）
  • Year and Date: 2014-09-18 – 2014-09-21
• [Presentation] Development of Liquid Scintillator containing Zirconium Complex for Neutrinoless Double Beta Decay Experiment (2014)
  • Author(s): Y.Fukuda, T.Muramatsu, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, A.Gunji, S.Tsukada
  • Organizer: the 37thInternational Conference on High Energy Physics (ICHEP2014)
  • Place of Presentation: Valencia, Spain
  • Year and Date: 2014-09-02 – 2014-09-09
• [Presentation] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊の研究 (2014)
  • Author(s): 福田善之
  • Organizer: 新学術領域「宇宙の歴史をひもとく地下素粒子原子核研究」第一回研究会
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • Year and Date: 2014-08-23 – 2014-08-24
  • Invited
• [Presentation] Development of Liquid Scintillator containing Zirconium Complex for Neutrinoless Double Beta Decay Experiment (2014)
  • Author(s): Y.Fukuda, T.Muramatsu, S.Moriyama, Narengerile, A.Obata, I.Ogawa, A.Gunji, S.Tsukada
  • Organizer: XXXVI International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (Neutrino2014)
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2014-07-02 – 2014-07-07
• [Remarks] TAUP2015で講演したスライド
  • URL: http://www.taup-conference.to.infn.it/2015/day2/parallel/nub/5_fukuda.pdf
• [Remarks] UGND2016で講演したスライド
  • URL: http://www.lowbg.org/ugnd/workshop/sympo_all/201605_Tokyo/slides/11pm/11pm_11.pdf
• [Remarks] 日本物理学会2015年秋季大会で講演したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/JPS2015-fall-presen.pdf
• [Remarks] 日本物理学会第７１回年次大会で講演したスライド
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/JPS2016-spring.pdf
• [Remarks] Poster for ICHEP2014
  • URL: http://indico.ific.uv.es/indico/getFile.py/access?contribId=255&sessionId=16&resId=0&materialId=poster&confId=2025
• [Remarks] Poster for Neutrino2014
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/Neutrino2014.poster-mod.pdf
• [Remarks] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索実験VII
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/jps2015-spring.pdf
• [Remarks] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊事象の探索実験V
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/shingaku-fukuda.pdf
• [Remarks] ジルコニウム９６を用いたニュートリノを放出しない二重ベータ崩壊の研究
  • URL: http://masamune.miyakyo-u.ac.jp/gakkai/shingaku-fukuda.pdf